RU2658502C1

RU2658502C1 - Discrete microwave phase shifter

Info

Publication number: RU2658502C1
Application number: RU2017125434A
Authority: RU
Inventors: Геннадий Алексеевич Крисламов
Original assignee: Геннадий Алексеевич Крисламов
Priority date: 2017-07-14
Filing date: 2017-07-14
Publication date: 2018-06-21

Abstract

FIELD: radio engineering and communications.

SUBSTANCE: invention relates to radio engineering, in particular to discrete phase shifters. Discrete microwave phase-shifter of a through-type contains a section of the transmission line and a switching diode. Central conductor of the section is made with a longitudinal gap separating it into two parallel connected conductors, one of which is also divided by a transverse gap into two parts connected through a switching element. Phase shifter is configured to implement increments up to 45°.

EFFECT: reduction of parasitic transmission losses.

1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к электронной технике СВЧ, в частности к проходным дискретным полупроводниковым фазовращателям, и может быть использовано в фазокомпенсаторах, фазированных антенных решетках и других радиотехнических устройствах для управления фазой электромагнитных колебаний.The invention relates to electronic microwave technology, in particular to pass-through discrete semiconductor phase shifters, and can be used in phase compensators, phased array antennas and other radio engineering devices for controlling the phase of electromagnetic waves.

Одной из основных характеристик проходных фазовращателей, определяющих сферу их применения, являются паразитные потери пропускания.One of the main characteristics of loop-through phase shifters that determine the scope of their application is spurious transmission loss.

Известны схемы двухканальных фазовращателей, работа которых основана на поочередном включении посредством переключательных элементов (p-i-n диодов, полевых транзисторов, микроэлектромеханических переключателей) по команде управления в линию передачи сигнала двух фазосдвигающих цепей (ФСЦ), разница электрических длин которых обеспечивает необходимый фазовый дискрет за счет конечной скорости распространения электромагнитной волны в линии (см. Хижа Г.С. и др. СВЧ фазовращатели и переключатели: особенности создания на p-i-n диодах в интегральном исполнении. М.: Радио и связь, 1984, с. 168). Однако в состав традиционных схем входят переключатели каналов, содержащие минимум по два переключательных элемента, что приводит к неизбежному увеличению потерь, поскольку паразитные потери пропускания обусловлены в основном потерями в этих элементах.There are known schemes of two-channel phase shifters, the operation of which is based on switching on by means of switching elements (pin diodes, field effect transistors, microelectromechanical switches) by a command of a signal to the signal transmission line of two phase-shifting circuits (FSC), the difference in electric lengths of which provides the necessary phase discretion due to the finite speed propagation of an electromagnetic wave in a line (see G. Khizh and others. Microwave phase shifters and switches: features of creating pin integral diodes in an integral new performance.M.: Radio and Communications, 1984, p. 168). However, traditional circuits include channel switches containing at least two switching elements, which leads to an inevitable increase in losses, since spurious transmission losses are mainly caused by losses in these elements.

Наиболее близким к заявляемому фазовращателю является фазовращатель петлевого типа (см. Чижов А.И. Метод кратных импедансов в исследовании СВЧ цепей. М.: Радиотехника, 2014, с. 147). Топология такого устройства представлена на фиг. 1. Фазосдвигающая цепь известного фазовращателя представляет собой участок линии передачи 2 длиной

с волновым сопротивлением ρ₀, совпадающим с волновым сопротивлением линии 1, в которую включен фазовращатель, а к середине этого участка параллельно через диод D₂ подключен короткозамкнутый отрезок линии 3. Вход и выход ФЦС соединены через последовательно включенный диод D₁.Closest to the claimed phase shifter is a loop type phase shifter (see A. Chizhov, Multiple Impedance Method in the Study of Microwave Circuits. M: Radio Engineering, 2014, p. 147). The topology of such a device is shown in FIG. 1. The phase-shifting circuit of a known phase shifter is a portion of a transmission line 2 of length

with wave impedance ρ ₀ coinciding with the wave impedance of line 1, into which the phase shifter is connected, and a short-circuited segment of line 3 is connected in parallel through the diode D ₂ to the middle of this section. The input and output of the FCC are connected through the diode D ₁ connected in series.

При закрытых диодах СВЧ сигнал проходит без отражений по участку 2 линии 1. При этом диоды D₁ и D₂ имеют большое по сравнению с ρ₀ сопротивление и не оказывают влияния на прохождение сигнала. В режиме открытых диодов СВЧ сигнал проходит через диод D₁, а участок (отрезок) 2 можно представить в виде параллельно подключенного к линии 1 шлейфа длиной

и волновым сопротивлением 0,5 ρ₀. Данный шлейф с отрезком линии передачи 3 имеет электрическую длину ~λ/4 (представляет собой четвертьволновый резонатор) и практически не оказывает влияния на фазу СВЧ сигнала (λ - длина волны в линии передачи).When the diodes are closed, the microwave signal passes without reflection along section 2 of line 1. Moreover, the diodes D ₁ and D ₂ have a large resistance compared to ρ ₀ and do not affect the signal transmission. In the open diode mode, the microwave signal passes through the diode D ₁ , and the section (segment) 2 can be represented in the form of a loop parallel to the line 1

and wave impedance of 0.5 ρ ₀ . This loop with a segment of transmission line 3 has an electric length of ~ λ / 4 (represents a quarter-wave resonator) and practically does not affect the phase of the microwave signal (λ is the wavelength in the transmission line).

По сравнению с двухканальным фазовращателем число переключательных (управляющих) элементов в фазовращателе петлевого типа удается уменьшить до двух, однако его потери пропускания остаются значительными.Compared with the two-channel phase shifter, the number of switching (control) elements in the loop type phase shifter can be reduced to two, however, its transmission loss remains significant.

Техническим эффектом, на достижение которого направлено предлагаемое решение, является снижение паразитных потерь пропускания фазовращателя.The technical effect to which the proposed solution is directed is to reduce spurious transmission loss of the phase shifter.

Указанный эффект достигается тем, что в дискретном СВЧ фазовращателе проходного типа, содержащем отрезок линии передачи и переключательный элемент, преимущественно диод, центральный проводник упомянутого отрезка выполнен с продольным зазором, разделяющим его на два параллельно соединенных проводника, один из которых также разделен поперечным зазором на две части, соединенные через переключательный элемент.This effect is achieved by the fact that in a discrete microwave pass-through phase shifter containing a segment of a transmission line and a switching element, mainly a diode, the central conductor of said segment is made with a longitudinal gap dividing it into two parallel-connected conductors, one of which is also divided by a transverse gap into two parts connected through a switching element.

На фиг. 2 изображен фазовращатель предлагаемой конструкции, установленный в линии передачи 1 с волновым сопротивлением р₀, выполненный в виде отрезка линии передачи, центральный проводник которого представляет собой параллельное соединение проводников 2 и 3. В проводнике 3 выполнен поперечный зазор, разделяющий его на две части, соединенные через управляющий элемент 4, преимущественно диод.In FIG. 2 shows a phase shifter of the proposed design installed in the transmission line 1 with a wave resistance of p ₀ , made in the form of a segment of the transmission line, the central conductor of which is a parallel connection of conductors 2 and 3. In the conductor 3 there is a transverse gap dividing it into two parts connected through the control element 4, mainly a diode.

Конфигурация продольного зазора, разделяющего проводники 2 и 3 фазовращателя, может специально подбираться для оптимизации параметров.The configuration of the longitudinal gap separating the conductors 2 and 3 of the phase shifter can be specially selected to optimize the parameters.

Фазовращатель работает следующим образом. При закрытых диодах он представляет собой «П»-образный фильтр нижних частот с электрической длиной ϕ₁, в котором высокоомный по сравнению с ρ₀ проводник 2 с экраном является индуктивным отрезком линии передачи, а присоединенные к его концам части отрезка 3 имеют емкостной характер. Меняя соотношение ширины проводников 2 и 3 и расстояние между ними, можно оптимизировать характеристики этого фильтра.Phaser is as follows. When the diodes are closed, it is a “P” -shaped low-pass filter with an electric length of ϕ ₁ , in which the high-resistance conductor 2 with the screen, in comparison with ρ _0, is an inductive section of the transmission line, and the parts of the segment 3 connected to its ends are capacitive in nature. By changing the ratio of the width of the conductors 2 and 3 and the distance between them, you can optimize the characteristics of this filter.

При открытом диоде 4 фазовращатель представляет собой параллельное соединение двух проводников, вместе с экраном образующих отрезок линии передачи с электрической длиной ϕ₂ и волновым сопротивлением, близким к ρ₀. Разница между ϕ₁ и ϕ₂ определяет дискрет фазовращателя. Предлагаемая конструкция фазовращателя позволяет реализовать дискреты фазы до 45°.When diode 4 is open, the phase shifter is a parallel connection of two conductors, together with the screen forming a segment of the transmission line with an electric length of ϕ ₂ and a wave impedance close to ρ ₀ . The difference between ϕ ₁ and ϕ ₂ determines the discrete phase shifter. The proposed design of the phase shifter allows you to implement phase discrete up to 45 °.

Для реализации максимального (~45°) дискрета фазовращателя ширина проводника 2 должна быть существенно (в несколько раз) меньше, чем ширина проводника 3. При этом длина и ширина продольного зазора выбирается из условия максимальной электрической длины фазовращателя в режиме «выключено» (при закрытом диоде 4).To realize the maximum (~ 45 °) phase shifter discrete, the width of conductor 2 should be significantly (several times) smaller than the width of conductor 3. In this case, the length and width of the longitudinal gap is selected from the condition of the maximum electric length of the phase shifter in the “off” mode (when closed diode 4).

Использование в фазовращателе предлагаемой конструкции всего одного переключательного элемента в одном из двух параллельных проводников позволяет снизить паразитные потери пропускания.The use of the proposed design of the phase shifter of only one switching element in one of two parallel conductors can reduce spurious transmission loss.

Пример реализации.Implementation example.

Разработан и изготовлен фазовращатель с дискретом 11°, предназначенный для работы в S-диапазоне частоты. Устройство выполнено на поликоровой подложке толщиной 0,5 мм, установленной на металлическом основании. Длина и ширина продольного зазора равны 2,3 и 0,15 мм соответственно. В качестве переключательного элемента использован диод MA4L001-134 фирмы М/А-СОМ. Паразитные потери составляют ~0,1 дБ, что находится на уровне погрешности измерений.Designed and manufactured phase shifter with discrete 11 °, designed to operate in the S-frequency range. The device is made on a polycrust substrate with a thickness of 0.5 mm, mounted on a metal base. The length and width of the longitudinal clearance are 2.3 and 0.15 mm, respectively. As a switching element, the diode MA4L001-134 of the company M / A-COM is used. Spurious losses are ~ 0.1 dB, which is at the level of measurement error.

Claims

A discrete microwave pass-through phase shifter comprising a segment of a transmission line and a switching element, preferably a diode, characterized in that the central conductor of said segment is made with a longitudinal gap dividing it into two parallel-connected conductors, one of which is also divided by a transverse gap into two parts connected through the switching element.